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[科技] 1吨月壤产生50多千克水？结果太好了，还需深入解析验证 | 陈经

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告别狼院 发表于 2024-8-23 11:13:39 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
一．月壤重大科研突破上了新闻联播2024年8月22日，央视新闻报导了一个消息：
1吨月壤产生50多千克水？结果太好了，还需深入解析验证 | 陈经 第1张图片

新闻称我国科研人员利用嫦娥5号带回的月壤样本，发现了大量生产水的办法，可以1吨产生51-76千克水。形象地说，这相当于100多瓶500毫升的水。我们买100多瓶饮用水摆在在一起，视觉冲击力还是很大的。
1吨月壤产生50多千克水？结果太好了，还需深入解析验证 | 陈经 第2张图片

一瓶矿泉水是500毫升，一提矿泉水是24瓶。50多千克水，大约就是图上4提的瓶装水。直观会是，这是非常多的水，而1吨的月壤就能生产这么多水，这对于建立月球基地是天大的好消息。
1吨月壤产生50多千克水？结果太好了，还需深入解析验证 | 陈经 第3张图片

如2022年1月，我国多家科研团队合作，发现嫦娥五号采样区的1吨月壤里大约有120克水，1吨岩石里大约有180克水。这里的水指的并不是自由的水分子（H2O)，而是羟基即氢氧基（-OH）。实际上，当我们谈论月球上的水的时候，有好几种不同的含义。最基本的自然就是自由的水分子，能直接拿来用的。根据对美国阿波罗计划取回来的样品的分析，这样的水应该含量极低。到底是多低呢？测不出来，因为在地球上处理样品时难免会混入地球上的水，而测量值跟地球的本底值在误差范围内相等。这是2024年6月26日，风云学会会长袁岚峰博士组织嫦娥六号返回的直播时，月壤研究专家、中国科学院地质与地球物理研究所李秋立研究员解释的。然后是羟基，这就不是直接能拿来用的了，而是只要有一个氧原子和一个氢原子连在一起就行（我们在月球的基地有多少水可用？| 科技袁人）。为什么会把这作为一种定义呢？因为它容易探测，-OH会有某种特征的振动频率，只要用光谱方法探测到这种振动频率，就可以认为有水。此外，-OH转化成自由的水也相对比较容易。前面说的2022年发现嫦娥五号采样区的含水量在120 ppm至180 ppm，指的就是这种。最近还出现了一个新的称呼“分子水”（中国科学家在月壤中首次发现分子水），这又是什么意思呢？这指的是水合物中的水。什么叫水合物？就是水分子跟其他物质牢固结合在一起的化合物，请注意它是纯净物，不是混合物。例如大家上中学时学过的五水合硫酸铜（CuSO4 · 5H2O），它就是一种蓝色的水合物。水在里边是以分子的形式存在，但水分子又跟铜离子紧密地配位，所以跟自由的水不是一回事，它不能喝。通过加热等办法，可以打破这种配位，把水分子释放出来，蓝色的五水硫酸铜变成白色的无水硫酸铜，这样得到的水就是自由的水了。2024年7月，中国科学家在嫦娥五号带回的样品中发现了一种富含水分子和铵离子（NH4＋）的未知矿物晶体——ULM-1，这是首次在月壤中发现分子水。跟羟基一样，这也不是能喝的水。基于以前这些信息，我的第一反应是，是不是新闻里把单位搞错了？这次是不是找到了办法，把1吨月壤中的120克羟基弄出来50多克水，而不是50多千克？[size=10.5000pt][size=10.5000pt]
1吨月壤产生50多千克水？结果太好了，还需深入解析验证 | 陈经 第4张图片

2022年9月央视新闻的另一个报导中，中科院对月壤中的“太阳风成因水”进行了测量估算，水含量至少为170 ppm。1个ppm是百万分之一，从数量级上看，这生产不了50千克水。我猜测，是不是新闻报导计算出问题了，把ppm当成千分之一产生了误会。但是说实在的，如果是这样的错误，就过于离谱了。我发出微博表示疑问后，不少读者都指出，这说的不是收集水分子，而是有新的化学反应生成了水。
中国科学院宁波材料所研究员王军强（右一）和团队成员

这篇报导更为详细了，我看了之后“解除了怀疑”。原来是中科院宁波材料所的重大成果，学术带头人是王军强研究员。文中报导的信息是足够的，从新闻意义上排除了低级错误。
“科研人员发现，月壤矿物由于太阳风亿万年的辐照，储存了大量氢。在加热至高温后，氢将与矿物中的铁氧化物发生氧化还原发应，生成单质铁和大量水。当温度升高至1000℃以上时，月壤将会熔化，反应生成的水将以水蒸气的方式释放出来。”
月壤中氧元素不会缺，关键是氢原子。上面这段文字解释了月壤中氢元素的来源。
“经高分辨电子显微镜、电子能量损失谱、热重、磁性、元素价态、元素成分检测等多种实验技术分析，研究团队确认1克月壤中大约可以产生51 - 76毫克水（即5.1% - 7.6%）。”
这段解释了具体的数值计算办法，是1克月壤可以产生51 - 76毫克。实验团队会得到少量宝贵的月壤，用1克作实验是合理的。而且文章也被中国主办的国际学术杂志《The Innovation》接收了，应该不会有低级错误。研究发现，月壤中的钛铁矿（FeTiO3）含氢量最高。有趣的是，地球上的钛铁矿反而生产不了多少水。王军强进一步解释了氢在月壤中的存储机制。
1吨月壤产生50多千克水？结果太好了，还需深入解析验证 | 陈经 第5张图片

有了这个神奇的重大发现，月球水资源开发利用也就打开了思路。下图就是王军强团队提出的一种设想。
1吨月壤产生50多千克水？结果太好了，还需深入解析验证 | 陈经 第6张图片

通过加热月壤收集月球水的原位开采与利用策略示意图
“首先，通过凹面镜聚焦太阳光加热月壤至熔融。加热过程中，月壤将会与太阳风中注入的氢反应生成水、单质铁和陶瓷玻璃。随后，产生的水蒸气冷凝并被收集在水箱中，这可以满足月球上人类与各种动植物的饮水需要。接着，通过电分解水可以产生人类呼吸需要的氧气，以及可以作为能源使用的氢气。”
看上去，这是一个非常漂亮的产生大量水、氧气的办法。有了水和氧气，人类能够生存的月球基地就有了最重要的条件。这个科研突破确实非常重要，甚至可以说是月球开发探索中迄今为止最大的突破。当晚的新闻联播也介绍了这个好消息。我解除了对“低级错误”的怀疑，但还是有些拿不准，因为这消息好到难以置信。虽然科学上似乎说得通，但是这结果还是太好了。科研中常见，实验中因为一些未知因素或者误差的干扰，得出了非常好的结果，但仔细排查之后，就发现结果并没有那么好。如地质勘探找石油，初步的数据收集可能会报告非常高的储量，但之后更为精准的探测就发现储量大幅缩小。一些从事科研工作的朋友，看了新闻后，纷纷表示有疑问。袁岚峰会长组织风云学会，让许多科研工作者能跨学科方便地交流，有什么科技事件，我们往往能联系到直接研究者。这个好处立刻体现了，我们迅速联系到了王军强本人，一起探讨。这些较为深入的专业讨论，能够对非专业的新闻工作者的报导，进行有益的补充。二．《月球钛铁矿通过与内源氢反应大量产水》论文与探讨
1吨月壤产生50多千克水？结果太好了，还需深入解析验证 | 陈经 第7张图片

要点有：l 以创新生产法用月壤产出的水量，是月球中自然水（OH与H2O）含量的10000倍，所以这是一个令人震惊的好结果。l 阅读了论文、并与王军强讨论的学者们，普遍对结果有不少质疑。最大的质疑在于，氢原子似乎太多了。1吨月壤能产生50千克以上的水，这个比例看起来不高，但氢原子非常轻，所以从原子数量的角度来看，这意味着氢原子在所有原子中占的数量比例非常高。钛铁矿（FeTiO3）的分子量是152，水的分子量是18，一个水分子里含两个氢原子，所以质量比5.6%的水意味着每个钛铁矿分子式对应的氢原子数是2 × 0.056 × 152 / 18 = 0.95。新闻里王军强说，“每个钛铁矿分子（FeTiO3）可以吸附4个氢原子，是名符其实的月球‘蓄水池’。”跟这个估算是对应的。但月壤中居然会有这么多氢原子，这本身就是令人震惊的。虽然有太阳风带来氢原子，但会带来这么多吗？因此从经验上看，这个成果的确认还需要时间。提出这样深入的疑问需要相当深入的专业知识，新闻行业难以判断也是正常的。l 非同寻常的结论需要非同寻常的证据。如果这个结论得到确认，即月壤中确实有这么多氢，那么这会是诺贝尔奖级别的成果。l 王军强表示，相关的质疑，团队都有考虑，对结果有信心。因此，并不是说这个结果就一定有问题，而是需要更深入的讨论、更扎实的实验证据，来证实或者证伪它。王军强鼓励有兴趣的学者，也来申请嫦娥五号带回的月壤样本，进行实验复现。从这个意义上来说，这是我国学者特有的方便。技术细节有：l 实验生产的水量，并非直接收集了水称重测量出来的。论文中是通过种种测量数据，间接计算出来的，有很长的推理链条。中间有几个很强的假设，而这些假设，需要更多直接的证据。这个计算过程会不会有问题，是否有遗漏，确实容易产生质疑。l 实验的基本原则是，对物品加热反应，产生水蒸汽等化学物质。通过多种先进的仪器，统计信号、确认水的生成。前后称量，少掉的数值，也就是“烧失”部分，就是水。l 有的学者怀疑，这个测量过程可能有问题。如过程中有可能会产生氧气，也会跑掉。而氧气的来源，可能是在铂催化的情况下，从氧化铁分解而来。质疑的学者建议，用质谱仪分析烧失的气体到底是水还是氧气。l 对于结果估算，也许有更直接的验证办法。例如对氢原子非常敏感的核磁共振实验，应该能提供更好的判定证据。如果测出来氢原子远没有这么多，那么结果自然是不能成立的。不过对于这种方法，王军强回应说，月壤有磁性，核磁信号会被干扰，无法测量。个人感觉，学者们的质疑是值得重视的。对于特别重大的科研成果，提出质疑，要求更多确实的证据，是科研活动中良性的交流。而我国已经有条件自主地进行更多测试，提供更多数据。如果最终月壤生产水的重大科研成果得到确认，这会是我们都非常乐意看到的重大进展。如果进一步的实验说明，成果没有这么重大，那也是常见的后续。无论如何，相关的实验与推理过程，能让人类对月壤加深理解。


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